JP2008103307A - Booster circuit, power supply device, and image forming device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、被加熱体を電磁誘導加熱(Induction Heating:IH)によって加熱する電磁誘導加熱手段へ給電する電圧を昇圧する昇圧回路と、その昇圧回路を備えた電源装置と、その電源装置を備えた用紙に転写された現像剤像を定着させる電子写真定着装置を備えたプリンタ,複写機,ファクシミリ装置,それらの複合機を含む画像形成装置とに関する。 The present invention includes a booster circuit that boosts a voltage to be supplied to electromagnetic induction heating means for heating an object to be heated by induction heating (IH), a power supply device including the booster circuit, and the power supply device. The present invention relates to a printer having an electrophotographic fixing device for fixing a developer image transferred to a sheet of paper, a copying machine, a facsimile machine, and an image forming apparatus including a composite machine thereof.
従来、商用交流電圧によって駆動し、雷等のサージ電圧、瞬間的な停電、電圧低下、上昇等が発生した場合でも破壊しないようにした電磁誘導加熱装置(例えば、特許文献1参照)があった。
そのような電磁誘導加熱装置(IH装置)の電圧共振回路においてはQ倍の電圧を発生する。
上記クオリティファクター(Quality factor:Q)は、電圧共振回路の良さを示す目安として用いられており、電圧共振回路の周波数ω0、コイルのインダクタンスL、コンデンサの静電容量C、それらの等価抵抗の抵抗値Rとすると、Qは、次の(イ)(ロ)の各式による演算処理によって求められる。
(イ)Q=ω0L/R
(ロ)Q=1/R・1/ω0C
例えば、直列共振時において、コイル又はコンデンサの電圧が電源電圧のQ倍になる。
Conventionally, there has been an electromagnetic induction heating device that is driven by a commercial AC voltage and does not break even when a surge voltage such as lightning, a momentary power failure, a voltage drop, or a rise occurs (see, for example, Patent Document 1). .
In the voltage resonance circuit of such an electromagnetic induction heating device (IH device), a voltage Q times is generated.
The quality factor (Quality factor: Q) is used as a standard indicating the goodness of the voltage resonance circuit, and includes the frequency ω 0 of the voltage resonance circuit, the inductance L of the coil, the capacitance C of the capacitor, and the equivalent resistance thereof. Assuming that the resistance value is R, Q is obtained by arithmetic processing according to the following equations (A) and (B).
(A) Q = ω 0 L / R
(B) Q = 1 / R · 1 / ω 0 C
For example, during series resonance, the voltage of the coil or capacitor becomes Q times the power supply voltage.
一方、比較的大きな電力のスイッチングを行う電子スイッチとして、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)が多く使われる。 On the other hand, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is often used as an electronic switch that performs switching of relatively large power.
図14はIGBTの回路構成を示す図であり、図15は電磁誘導加熱駆動時にIGBTへ1200Wの電力を入力した時のIGBTの各端子の出力波形を示す図である。
図14に示すように、IGBTは、MOS型FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)110をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタであり、ゲート端子Gとエミッタ端子E間の電圧で駆動し、入力信号によってオンとオフができる自己消弧形であり、大電力のスイッチングが可能な半導体素子である。
入力電圧111に対して、図15に示すように、ゲート端子Gの電圧112とコレクタ端子Cの電圧113が変化する。
しかし、IGBTは、FETと比較すると比較的大きな電力をスイッチングできるが、スイッチング速度は比較的遅い。
FIG. 14 is a diagram showing a circuit configuration of the IGBT, and FIG. 15 is a diagram showing an output waveform of each terminal of the IGBT when 1200 W of electric power is input to the IGBT during electromagnetic induction heating driving.
As shown in FIG. 14, the IGBT is a bipolar transistor in which a MOS type FET (Metal Oxide Field Effect Transistor: MOSFET) 110 is incorporated in the gate portion, and is driven by a voltage between the gate terminal G and the emitter terminal E. It is a self-extinguishing type that can be turned on and off by a signal, and is a semiconductor element capable of switching high power.
As shown in FIG. 15, the
However, the IGBT can switch a relatively large power as compared with the FET, but the switching speed is relatively slow.
例えば、画像形成装置における画像の定着に、電磁誘導加熱(IH)を用いる場合、耐圧1000V、電流60Aの大電流スイッチングを行うため、通常のスイッチング電源で用いる電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)では不可能な大電力スイッチングになる。
したがって、上記IGBTが多く用いられる。
Therefore, the IGBT is often used.
従来の電磁誘導加熱装置において加熱時間を短縮する方法として、電磁誘導の誘導起電力を高くするという方法がある。その方法の一つに共振電圧を高くする方法がある。
従来の電磁誘導加熱装置における電磁誘導加熱のためのコイル構成では、共振電圧を高くするには、インダクタンス成分もしくはコンデンサ成分を変えることによってのみ、共振電圧の波高値(「共振波高値」という)を変えられる。
ところで、共振波高値を高くするには共振時間を短くすればよいが、電磁誘導加熱に用いられる電子スイッチのIGBTは、スイッチング速度の上限に限界があり、素早くスイッチングできないという問題があった。
また、スイッチング速度を無理に早くするとスイッチング損失が大きくなるという問題があった。
さらに、共振波高値、つまりQの値を高くするということは、波形のせん鋭度も高くなり、少しの周波数変化にもQが変化して制御が難しくなるという問題があった。
As a method for shortening the heating time in the conventional electromagnetic induction heating device, there is a method of increasing the induction electromotive force of electromagnetic induction. One method is to increase the resonance voltage.
In the coil configuration for electromagnetic induction heating in the conventional electromagnetic induction heating device, in order to increase the resonance voltage, the peak value of the resonance voltage (referred to as “resonance peak value”) can be increased only by changing the inductance component or the capacitor component. be changed.
By the way, in order to increase the resonance peak value, the resonance time may be shortened. However, the IGBT of the electronic switch used for electromagnetic induction heating has a problem in that the upper limit of the switching speed is limited and switching cannot be performed quickly.
In addition, if the switching speed is forcibly increased, the switching loss increases.
Furthermore, increasing the resonance wave height value, that is, the Q value has a problem that the sharpness of the waveform also increases, and the Q changes even with a slight frequency change, making control difficult.
図16は、電磁誘導加熱駆動時のIGBTの各端子の出力波形を示す図である。
同図の(a)は、共振期間が長く共振が実現していない状態であり、重なりの部分でノイズが発生して損失大の場合の波形例である。
同図の(b)は、共振が実現している状態であり、効率よく駆動する場合の波形例である。
同図の(c)は、共振は実現しているが、共振期間が短い状態であり、共振期間が短く波形のせん鋭度が高く制御が難しい。また、コイルに大きな電圧が掛かって発熱して損失大であり、IGBTのボディダイオードへ流れ、電流が大きく損失大の場合の波形例である。
FIG. 16 is a diagram showing output waveforms of each terminal of the IGBT during electromagnetic induction heating drive.
(A) of the same figure is an example of a waveform when the resonance period is long and resonance is not realized, and noise is generated in the overlapping portion and loss is large.
(B) of the figure is a state where resonance is realized, and is a waveform example in the case of efficient driving.
(C) in the figure shows that resonance is realized, but the resonance period is short, the resonance period is short, the waveform sharpness is high, and control is difficult. Further, this is a waveform example when a large voltage is applied to the coil and heat is generated and loss is large, and the current flows to the body diode of the IGBT and current is large and loss is large.
このように、従来の電流誘導加熱装置において、誘導起電力を高めて加熱速度を早くするために、Qの値を高くすると共振波形のせん鋭度が高くなり、制御が難しくなるという問題があった。
この発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、電磁誘導加熱におけるスイッチング損失を少なくし、且つ共振波高値を高くして被加熱体の加熱時間を短縮することを目的とする。
As described above, in the conventional current induction heating device, in order to increase the induced electromotive force and increase the heating rate, if the value of Q is increased, the sharpness of the resonance waveform increases and control becomes difficult. It was.
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to reduce the switching loss in electromagnetic induction heating and increase the resonance wave height to shorten the heating time of the object to be heated.
この発明は上記の目的を達成するため、次の昇圧回路と電源装置と画像形成装置を提供する。
(1)直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成する手段と、その手段によって生成された擬似高周波の交流電圧の印加によって磁力線を発生し、その磁力線に基づいて被加熱体に対して電磁誘導加熱するコイルとを有し、そのコイルに並列に共振用コンデンサを設けており、上記コイルを、電磁誘導用コイルと共振用コイルとを和動接続して構成し、上記電磁誘導用コイルへ上記擬似高周波の交流電圧を印加させる状態と、上記共振用コンデンサへ上記擬似高周波の交流電圧を印加させる状態とを切り換えるスイッチ手段を設けた昇圧回路。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following booster circuit, power supply device and image forming apparatus.
(1) A means for generating a pseudo-high frequency AC voltage from a DC voltage, and a magnetic line of force is generated by applying a pseudo-high frequency AC voltage generated by the means, and the object to be heated is electromagnetically heated based on the magnetic line of force. A resonance capacitor is provided in parallel with the coil, and the coil is configured by a Japanese-electrically connected electromagnetic induction coil and the resonance coil, and the pseudo coil is connected to the electromagnetic induction coil. A step-up circuit provided with switch means for switching between a state in which a high-frequency AC voltage is applied and a state in which the pseudo-high-frequency AC voltage is applied to the resonance capacitor.
(2)上記のような昇圧回路において、上記電磁結合コイルのインダクタンスのずれを修正する手段を設けた昇圧回路。
(3)上記のような昇圧回路において、上記磁気結合コイルを共振状態にするように上記擬似高周波の値を制御する手段を設けた昇圧回路。
(4)上記のような昇圧回路を備えた電源装置。
(5)上記のような電源装置において、上記直流電圧を交流電圧を整流して生成する整流回路を設けた電源装置。
(6)上記のような電源装置を備えた画像形成装置。
(2) In the booster circuit as described above, a booster circuit provided with means for correcting a deviation in inductance of the electromagnetic coupling coil.
(3) In the booster circuit as described above, a booster circuit provided with means for controlling the value of the pseudo high frequency so as to bring the magnetic coupling coil into a resonance state.
(4) A power supply device including the booster circuit as described above.
(5) A power supply apparatus provided with a rectifier circuit that rectifies the DC voltage to generate the DC voltage.
(6) An image forming apparatus including the power supply device as described above.
(7)直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、上記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第1のコイルと、その第1のコイルと和動接続された第2のコイルと、上記スイッチに対して上記第1のコイル及び第2のコイルと並列に接続されたコンデンサを備えた昇圧回路。
(8)上記のような昇圧装置において、上記スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタである昇圧回路。
(9)上記のような昇圧装置において、上記第1のコイル及び第2のコイルのインダクタンスのずれを修正する制御部を設けた昇圧回路。
(10)上記のような昇圧装置において、上記スイッチを上記第1のコイル及び第2のコイルと上記コンデンサの共振周波数近傍の周波数で切換える手段を設けた昇圧回路。
(7) A switch that generates a pseudo-high frequency AC voltage from a DC voltage, a first coil that electromagnetically heats the object to be heated based on a line of magnetic force generated by a change in current caused by the application of the AC voltage, and a first coil And a capacitor connected in parallel with the first coil and the second coil with respect to the switch.
(8) In the booster as described above, the switch is a booster circuit that is an insulated gate bipolar transistor.
(9) In the booster as described above, a booster circuit provided with a control unit for correcting a deviation in inductance between the first coil and the second coil.
(10) In the boosting device as described above, a boosting circuit provided with means for switching the switch at a frequency near the resonance frequency of the first coil, the second coil, and the capacitor.
(11)直流電圧源と昇圧回路とを有し、上記直流電圧源は、直流電圧を発生し、上記昇圧回路は、上記直流電圧源で発生した直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、上記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第1のコイルと、その第1のコイルと和動接続された第2のコイルと、上記スイッチに対して上記第1のコイル及び第2のコイルと並列に接続されたコンデンサを有する電源装置。 (11) A DC voltage source and a booster circuit, wherein the DC voltage source generates a DC voltage, and the booster circuit generates a pseudo high-frequency AC voltage from the DC voltage generated by the DC voltage source. A first coil that electromagnetically heats the object to be heated based on a line of magnetic force generated by a change in current due to the application of the AC voltage, a second coil that is connected in Japanese with the first coil, and A power supply device having a capacitor connected in parallel with the first coil and the second coil with respect to the switch.
(12)整流回路と昇圧回路とを有し、上記整流回路は、交流電圧を整流して直流電圧を生成し、上記昇圧回路は、上記整流回路で生成した直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、上記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第1のコイルと、その第1のコイルと和動接続された第2のコイルと、上記スイッチに対して上記第1のコイル及び第2のコイルと並列に接続されたコンデンサとを有する電源装置。
(13)上記のような電源装置を備え、上記電源装置の被加熱体は、記録媒体上のトナー像を該記録媒体に定着する定着ローラである画像形成装置。
(12) a rectifier circuit and a booster circuit, wherein the rectifier circuit rectifies an AC voltage to generate a DC voltage, and the booster circuit generates a pseudo-high frequency AC voltage from the DC voltage generated by the rectifier circuit. A switch to be generated, a first coil for electromagnetically heating an object to be heated based on a line of magnetic force generated by a change in current caused by the application of the AC voltage, and a second coil connected in Japanese with the first coil And a capacitor connected to the switch in parallel with the first coil and the second coil.
(13) An image forming apparatus comprising the power supply device as described above, wherein the heated member of the power supply device is a fixing roller for fixing the toner image on the recording medium to the recording medium.
この発明による昇圧回路と電源装置と画像形成装置は、電磁誘導加熱におけるスイッチング損失を少なくし、且つ共振波高値を高くして被加熱体の加熱時間を短縮することができる。 The booster circuit, the power supply device, and the image forming apparatus according to the present invention can reduce the switching loss in electromagnetic induction heating and increase the resonance peak value to shorten the heating time of the object to be heated.
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
まず、この発明の実施例の説明の前に、一般的な電磁誘導加熱システムについて説明する。
図11は、この発明の参考となる一般的な電磁誘導加熱システムの機能構成を示すブロック図である。
この電磁誘導加熱システム90は、IHクッキングヒーターである。IHクッキングヒーターのトッププレート(図示省略)の下には、加熱コイル94があり、その加熱コイル94によって被加熱体の鍋(ここでは、鉄、アルミニュウム、ステンレス等の材料で製造された鍋)95を電磁誘導加熱せしめて水を温める場合を説明する。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
First, a general electromagnetic induction heating system will be described before describing the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a block diagram showing a functional configuration of a general electromagnetic induction heating system which is a reference of the present invention.
The electromagnetic induction heating system 90 is an IH cooking heater. Below the top plate (not shown) of the IH cooking heater, there is a
電磁誘導加熱システム90の電源をONにすると、トッププレートの下の加熱コイル94に交流電流が流れる。この交流電流は、擬似高周波であり、おおよそ20KHZ、高くても数十kHzである。
この擬似高周波は、インバータ電源である高周波インバータ93により、商用周波数60Hz又は50HzのAC100Vの商用電源51から供給される交流電流を整流器92によって整流して直流電流を作り出し、高周波インバータ93に供給する。
When the electromagnetic induction heating system 90 is turned on, an alternating current flows through the
The pseudo high frequency is rectified by a
高周波インバータ93は、直流電流から高周波の交流電流を作り出して加熱コイル94に流す。加熱コイル94に電流が流れると、それによって加熱コイル94を取り巻くように磁力線が発生する。その磁力線により、加熱コイル94の近傍の鍋95にはうず電流と呼ばれる電流が流れる。なお、直流では、うず電流は電源ONの一瞬しか発生しない。
上記うず電流とは、ジュール熱損失のことである。その他にはヒステリシス損もあるが、無視できるレベルである。また、加熱コイル94の電流と反対の向きのうず電流も発生する。
このようにして、被加熱体の鍋95の底に発生したうず電流によって鍋底自身が発熱する。これが直接加熱と呼ばれる理由である。その際の発熱量は次式に基づいて求めることができる。
The high-
The eddy current is Joule heat loss. In addition, there is hysteresis loss, but it is a negligible level. Further, an eddy current in the direction opposite to the current of the
In this way, the pot bottom itself generates heat due to the eddy current generated at the bottom of the
発熱量W=I2×R(I:うず電流、R:鍋底の電気抵抗率)
この鍋底の自己発熱の熱が、鍋95の中の水に熱伝達されることにより、鍋95の中の水は温められ、お湯となる。
また、上述のような電磁誘導加熱システムは、最近ではOA機器でも採用され、例えば、複写機を含む画像形成装置では、トナー定着工程に従来ハロゲンヒーター等が採用されていたが、上述のような電磁誘導加熱システムを使うことにより、細かく温度制御ができ、立ち上げ時間短縮などの省エネにも効果的である。
Calorific value W = I 2 × R (I: eddy current, R: electrical resistivity at the bottom of the pan)
The self-heating heat at the bottom of the pan is transferred to the water in the
In addition, the electromagnetic induction heating system as described above has recently been adopted in OA equipment. For example, in an image forming apparatus including a copying machine, a halogen heater or the like has been conventionally used in a toner fixing process. By using an electromagnetic induction heating system, fine temperature control is possible and it is effective for energy saving such as shortening the start-up time.
図12はこの発明の前提となる電磁誘導加熱装置の機能構成を示すブロック図である。
この電磁誘導加熱装置1′における電磁誘導加熱の基本動作について説明する。
(1)商用電源4のAC100V(商用電圧)を整流回路2によってダイレクトで整流してDC141Vを作る。
(2)DC141Vを、電磁誘導加熱制御部(IH制御部(「マイコン制御部」ともいう))6とドライブ回路7を有するインバータ回路3′によって600V0−p、50A0−p、20KHZから40KHZの擬似高周波電圧に変換する。
FIG. 12 is a block diagram showing a functional configuration of an electromagnetic induction heating device as a premise of the present invention.
The basic operation of electromagnetic induction heating in this electromagnetic induction heating apparatus 1 ′ will be described.
(1) AC100V (commercial voltage) of the commercial power source 4 is directly rectified by the
(2) DC141V is converted into 600V 0-p , 50A 0-p , 20KHZ to 40KHZ by an
(3)インバータ回路3′には、大電力スイッチングができるスイッチング素子のIGBT5を用いる。
(4)IH制御部6がドライブ回路7を介してIGBT5をON・OFFする。
(5)上記(4)の動作は電圧共振である。
(6)ダイオードD1はIGBT5のボディーダイオードである。
(7)IH制御部6がIH制御を行い、共振点追従制御と電流保護と電圧保護を行う。
(3) The inverter circuit 3 'uses an IGBT 5 which is a switching element capable of high power switching.
(4) The
(5) The operation of the above (4) is voltage resonance.
(6) The diode D1 is a body diode of the IGBT 5.
(7) The
次に、電磁誘導加熱の現象についてもう少し順を追って詳しく説明する。
図13は、電磁誘導加熱の原理の説明に供する図である。
(1)コイル100に対して電源101から交流電流を供給すると、コイル100中に流れるコイル電流によって磁界が発生する。
(2)コイル100に磁界が発生すると、コイル100内の被加熱物である金属円柱102内にも磁界ができる。
(3)金属円柱102内にはこの磁界を打消すような方向に電流(これを「うず電流」という)が流れる。このうず電流は金属円柱102の表面に近いほど多く流れる(このように、高周波電流が導体を流れる時、電流密度が導体の表面で高く、表面から離れると低くなる現象のことを、「表皮効果」と呼び、周波数が高くなるほど電流が表面へ集中するので、導体の交流抵抗は高くなる)。
Next, the phenomenon of electromagnetic induction heating will be described in detail in a little later order.
FIG. 13 is a diagram for explaining the principle of electromagnetic induction heating.
(1) When an alternating current is supplied from the
(2) When a magnetic field is generated in the
(3) A current (this is called “eddy current”) flows in the
(4)うず電流と金属円柱102の電気抵抗によってジュール熱が発生する。その際、金属円柱102の表面に近いほど電流が多いので発熱量も多くなる。
(5)金属円柱102は表面からどんどん昇温していくが、同時に放熱も始まる。
(6)金属円柱102の中心部は、表面近くで発生した熱の伝導を受け、表面より少し遅れて加熱されていく。
(4) Joule heat is generated by the eddy current and the electric resistance of the
(5) The temperature of the
(6) The central portion of the
〔実施例〕
次に、この発明の画像形成装置の一実施例を説明する。
図2は、この発明の一実施例である電子写真方式の画像形成装置の構成を概念的に示す断面図であり、この発明に係る昇圧装置と電源装置による電磁誘導加熱を用いた定着装置を採用している。
この画像形成装置は主に、原稿を読み取る読み取りユニット11、画像を形成する画像形成部12、自動原稿搬送装置(ADF)13、ADF13から送り出される原稿をスタックする原稿排紙トレイ14、給紙カセット15〜18を備える給紙部19、記録用紙をスタックする排紙部(排紙トレイ20)から構成されている。
〔Example〕
Next, an embodiment of the image forming apparatus of the present invention will be described.
FIG. 2 is a sectional view conceptually showing the configuration of an electrophotographic image forming apparatus according to an embodiment of the present invention. A fixing device using electromagnetic induction heating by a booster device and a power supply device according to the present invention is shown. Adopted.
The image forming apparatus mainly includes a
そして、ADF13の原稿台21上に原稿Dをセットし、図示を省略した操作部に対するユーザからの操作、例えば、ユーザがプリントキーの押下操作をすると、最上位の原稿Dがピックアップローラ22の回転により、矢印B1方向へ送り出され、原稿搬送ベルト23の回転により、読み取りユニット11に固定されたコンタクトガラス24上へ給送され、そこで停止する。
コンタクトガラス24上に載置された原稿Dの画像は、画像形成部12とコンタクトガラス24の間に位置する読み取り装置25によって読み取る。
Then, when the document D is set on the document table 21 of the
The image of the document D placed on the
読み取り装置25は、コンタクトガラス24上の原稿Dを照明する光源26、原稿画像を結像する光学系27、原稿画像を結像させるCCD等からなる光電変換素子28等を有している。
画像読み取り終了後、原稿Dを原稿搬送ベルト23の回転により矢印B2方向へ搬送して排紙トレイ14上へ排出する。
このように、原稿Dを1枚ずつコンタクトガラス14上へ給送して原稿画像を読み取りユニット11によって読み取る。
The
After the image reading is completed, the document D is transported in the direction of the arrow B2 by the rotation of the
In this way, the document D is fed one by one onto the
一方、画像形成部12の内部には、像担持体である感光体30が配置してある。
感光体30は、図において時計方向に回転駆動し、帯電装置31によって表面を所定の電位に帯電させる。
また、書き込みユニット32からは、読み取り装置25によって読み取った画像情報に応じて光変調したレーザ光Lを照射し、帯電させた感光体30の表面をこのレーザ光Lで露光し、これによって感光体30の表面に静電潜像を形成する。
On the other hand, inside the
The
Further, the
この静電潜像は、現像装置33を通るとき、対向する転写装置34によって感光体30と転写装置34の間に給送された記録媒体Pに転写する。トナー像転写後の感光体30の表面は、クリーニング装置35によって清掃する。
画像形成部12の下部に配置した複数の給紙カセット15〜18には、紙等の記録媒体Pを収容してあり、いずれかの給紙カセット15〜18から記録媒体Pを矢印B3方向へ送り出し、その記録媒体Pの表面に、上述のように感光体30の表面に形成したトナー像を転写する。
When the electrostatic latent image passes through the developing
A plurality of
次に、記録媒体Pを矢印B4で示すように画像形成部12内の定着装置36を通し、熱と圧力の作用によって記録媒体Pの表面に転写されたトナー像を定着させる。
定着装置36を通った記録媒体Pを排出ローラ対37によって搬送し、矢印B5で示すように排紙トレイ20へ排出し、スタックする。
上記定着装置36は、電磁誘導加熱装置1の電磁誘導により加熱される発熱ローラの定着ローラ40と、定着ローラ40と軸線が平行となるように配置した加圧ローラ41等から構成されている。
Next, the recording medium P is passed through the fixing
The recording medium P that has passed through the fixing
The fixing
定着ローラ40は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、あるいはそれらの合金を含む金属製の中空円筒状の磁性金属部材からなるものであり、低熱容量で昇温の速い構成とすることが好ましいのはもちろんである。
また、定着ローラ40は、例えば、磁性金属製の芯金を、耐熱性を有するシリコーンゴムをソリッド状または発泡状にして被覆して構成する。
一方、加圧ローラ41は、例えば、熱伝導性の高い銅やアルミを含む金属製の円筒部材からなる芯金の表面に、耐熱性でかつトナー離型性の高い弾性部材を設けて構成する。
上記芯金には、ステンレススチールを含む金属を使用するとよい。
上述した定着ローラ40と加圧ローラ41は、それらの回転時における接触部位が未定着のトナーが載った記録媒体を通過させて加圧、加熱するニップ部を形成している。
The fixing
In addition, the fixing
On the other hand, the
A metal containing stainless steel may be used for the core metal.
The fixing
図1は、図2に示す電磁誘導加熱装置1の内部構成を示す回路図である。
この電磁誘導加熱装置1は、整流回路2とインバータ回路3とからなり、定着装置36内において、磁気結合コイルL1と被加熱体である定着ローラ40との間にギャップを設けて配置されている。
整流回路2は、商用電源4と、平滑用フィルタコイルL2と、ノイズフィルタ用コンデンサCと、コンデンサC2と、カレントトランスCT等からなる。
上記平滑用フィルタコイルL2とコンデンサC2とにより、LCフィルターを構成している。
平滑用フィルタコイルL2とコンデンサC2とでローパスフィルタを構成する。
この整流回路2は、商用電源4の100V(50HZ/60HZ)の交流電圧を約141Vの直流(DC)電圧へ変換してインバータ回路3へ供給する。
カレントトランスCTは、商用電源4の電流を検知するためのものであり、ここでAC100Vの電流を検知して異常があれば保護回路を働かせる。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an internal configuration of the electromagnetic induction heating device 1 shown in FIG.
The electromagnetic induction heating device 1 includes a
The
The smoothing filter coil L2 and the capacitor C2 constitute an LC filter.
The smoothing filter coil L2 and the capacitor C2 constitute a low-pass filter.
The
The current transformer CT is for detecting the current of the commercial power supply 4. Here, the current of AC 100 V is detected, and if there is an abnormality, the protection circuit is activated.
インバータ回路3は、電磁誘導用コイルと共振用コイルとを和動接続して構成した磁気結合コイルL1と、共振用コンデンサC1と、スイッチング素子のIGBT5と、そのIGBT5のボディダイオード(内蔵ダイオード)D1とを有し、CPU,ROM及びRAM等からなるマイクロコンピュータによって実現される電磁誘導加熱制御部(IH制御部)6と、ドライブ回路7を備えている。
磁気結合コイルL1は、コイルLaとコイルLbを和動接続しており、コイルLbによる加熱用コイルと、コイルLaとLbによる共振用コイルの二役を兼ねている。
The
The magnetic coupling coil L1 has a coil connection between the coil La and the coil Lb, and serves as a heating coil by the coil Lb and a resonance coil by the coils La and Lb.
共振用コンデンサC1は、IGBT5のスイッチングによる共振時のエネルギーは、1/2Li^2=1/2CV^2(^:べき乗、L:インダクタンス、i:電流、C:キャパシタンス、V:電圧)となる。
IGBT5は、直流電圧を擬似高周波交流電圧に変換するスイッチ手段である。
IH制御部6は、電磁結合コイルL1のインダクタンスのずれを修正する手段の機能を果たし、IH制御部6とドライブ回路7は、磁気結合コイルL1を共振状態にするようにIGBT5の擬似高周波の値を制御する手段の機能を果たす。
In the resonance capacitor C1, the energy at the time of resonance due to switching of the IGBT 5 is 1 / 2Li ^ 2 = 1 / 2CV ^ 2 (^: exponent, L: inductance, i: current, C: capacitance, V: voltage). .
The IGBT 5 is switch means for converting a DC voltage into a pseudo high frequency AC voltage.
The
IH制御部6は、図示を省略した発振器(タイマー)や保護回路等が含まれており、IGBT5のスイッチングのタイミングをとってドライブ回路7に指示を送る。
ドライブ回路7は、トーテムポール回路が代表される回路であり、IH制御部6からの指示に基づいてIGBT5のスイッチングのONとOFFを切り換える駆動を制御する。
このインバータ回路3は、整流回路2から供給される直流電圧をIGBT5によって擬似高周波化(例えば、20KHZ〜60KHZ)し、IH制御部6及びドライブ回路7の制御によってIGBT5のONとOFFのスイッチングを切り替え、磁気結合コイルL1と共振用コンデンサC1とに擬似高周波を供給し、磁気結合コイルL1の磁界の発生と、共振用コンデンサC1の共振とにより、定着ローラ40を電磁誘導加熱する。
図1に示した磁気結合コイルL1と、共振用コンデンサC1と、スイッチング素子のIGBT5とからなる共振回路の構成によって、定着ローラ40の加熱を効率よく行う。
The
The
This
The fixing
この電磁誘導加熱装置1は、IGBT5を、数1に示す共振周波数fの近傍でスイッチング動作をさせることにより、Qの値の良い共振動作を行って高効率スイッチング動作を行う。まず、IGBT5のON時には磁気結合コイルL1にコイル電流が流れ、OFF時には共振用コンデンサC1に共振電圧が印加される。
そして、磁気結合コイルL1へ電流が流れると、定着ローラ40に渦電流が流れ、その渦電流と、定着ローラ40の金属抵抗とによってi^2・R(R:抵抗)の電力が発生し、ジュール熱が発生し、定着ローラ40が加熱する。
The electromagnetic induction heating device 1 performs a high-efficiency switching operation by performing a resonance operation with a good Q value by causing the IGBT 5 to perform a switching operation in the vicinity of the resonance frequency f shown in Equation 1. First, when the IGBT 5 is ON, a coil current flows through the magnetic coupling coil L1, and when the IGBT 5 is OFF, a resonance voltage is applied to the resonance capacitor C1.
When a current flows to the magnetic coupling coil L1, an eddy current flows to the fixing
この電磁誘導加熱装置1は、磁気結合コイルL1の構成に特徴がある。この磁気結合コイルL1は、電圧共振用のコイルと、定着ローラ40の加熱用のコイルの両機能を兼ね備えており、AC100Vを整流回路2によって整流した後の平滑用フィルタコイルL2とは役割が全く異なる。
電磁誘導加熱は、例えば、AC100V、60Hz/50Hzでも可能であるが、より早く加熱するには電圧と周波数を上げることによって実現する。
This electromagnetic induction heating device 1 is characterized by the configuration of the magnetic coupling coil L1. The magnetic coupling coil L1 has both functions of a voltage resonance coil and a heating coil for the fixing
Electromagnetic induction heating can be performed, for example, at
例えば、入力AC100V、60HZ/50HZを600−1000V0−p、20KHZから40KHZ程度の出力にあげる。
そのために、インバータ回路3を設けている。
インバータ回路3は、共振兼加熱コイルである磁気結合コイルL1と、共振用コンデンサC1からなる電圧共振回路(「LC共振回路」ともいう)により、整流回路2からの直流電圧からQ倍の共振波形をつくることができる。
この実施例の電磁誘導加熱装置1では、コスト的にも、また共振周波数やQにも影響のない昇圧手段、和動接続を使ったコイル構成にしている。
For example, an input AC of 100V, 60HZ / 50HZ is raised to an output of about 600-1000V 0-p , 20 KHZ to 40 KHZ.
For this purpose, an
The
The electromagnetic induction heating apparatus 1 of this embodiment has a coil configuration using boosting means and a summing connection that does not affect the resonance frequency or Q in terms of cost.
このようにして、磁気結合コイルL1は加熱コイルと共振コイルの2役をしており、インダクタンス値は大きく変えることはできない。
そこで、インダクタンス値を変えないで昇圧させて定着ローラ40の渦電流を増やすので、IGBT5のスイッチング損失を少なくし、波高値を高くして加熱時間を短縮することができる。
このように、電磁誘導加熱手段に上記コイル構成を用いることにより、共振周波数を変えることなく容易に短時間で効率良く被加熱物を温めることができる。
In this way, the magnetic coupling coil L1 serves as a heating coil and a resonance coil, and the inductance value cannot be changed greatly.
Therefore, since the eddy current of the fixing
Thus, by using the coil configuration for the electromagnetic induction heating means, the object to be heated can be easily and efficiently heated in a short time without changing the resonance frequency.
次に、上述した和動接続を使った加熱用と共振用の両機能を兼ねたコイルについてさらに説明する。
図3は、複数のコイルを和動接続した加熱コイルの回路図である。
同図の(a)は、上述した和動接続を使った加熱用と共振用の両機能を兼ねた磁気結合コイルの構成例であり、同図の(b)は従来の加熱コイルの構成例である。
同図の(a)に示す磁気結合コイルにおいて、発熱量はコイル1ターン(1回)当たりの誘導起電力で決定される。
ここで、同図の(b)に示す従来の加熱コイルでは、e=誘導起電力、N=巻き数、L=インダクタンス、φ=磁束、I=電流とすると、誘導起電力e=−N・Δφ/Δt、誘導起電力e=−L・ΔI/Δt、インダクタンスL=N・Δφ/ΔIとなり、誘導起電力eは巻き数NとインダクタンスLに正比例する。
Next, the coil having both the heating function and the resonance function using the above-described summing connection will be further described.
FIG. 3 is a circuit diagram of a heating coil in which a plurality of coils are connected in Japanese.
(A) of the figure is a structural example of a magnetic coupling coil having both the heating and resonance functions using the above-described summing connection, and (b) of the same figure is a structural example of a conventional heating coil. It is.
In the magnetic coupling coil shown in FIG. 2A, the amount of heat generated is determined by the induced electromotive force per one turn of the coil.
Here, in the conventional heating coil shown in FIG. 5B, when e = induced electromotive force, N = number of turns, L = inductance, φ = magnetic flux, and I = current, induced electromotive force e = −N · Δφ / Δt, induced electromotive force e = −L · ΔI / Δt, and inductance L = N · Δφ / ΔI, and the induced electromotive force e is directly proportional to the number of turns N and the inductance L.
従って、1回あたりの誘導起電力を増やして発熱量を増やすには、巻き数を増やせばよいが、そうするとインダクタンスまで変わってしまう。
従来の電磁誘導加熱装置は、同図の(b)に示すような加熱コイルとコンデンサの共振回路を設けて駆動しているので、インダクタンスが変わると、上記数1に示したように、周波数が変動してしまう。そして、この共振周波数から著しくずれると駆動効率が著しく低下する。
Therefore, in order to increase the amount of heat generated by increasing the induced electromotive force per one time, the number of windings may be increased, but this also changes the inductance.
Since the conventional electromagnetic induction heating device is driven by providing a resonance circuit of a heating coil and a capacitor as shown in (b) of the figure, when the inductance is changed, the frequency is changed as shown in Equation 1 above. It will fluctuate. And if it deviates significantly from this resonance frequency, drive efficiency will fall remarkably.
一方、同図の(a)に示す磁気結合コイルでは、M=相互インダクタンス、k=結合係数とすると、数2に示す演算式と、e2=−M・ΔI/Δtとから、2つのコイルLaとLbで決まるインダクタンスにより、誘導起電力が巻き数に関係なく決定されるので、効率の低下なく容易に誘電起電力をコントロールすることができる。
また、このようなコイル構成にすれば、インダクタンス値を変えることなくLa:Lbのインダクタンス比でn倍の昇圧をすることができ、誘導起電力を高めることができる。
さらに、絶縁型トランスのように構造が複雑にならないので、回路を安価に製造することができる。
On the other hand, in the magnetic coupling coil shown in FIG. 5A, when M = mutual inductance and k = coupling coefficient, two coils La are obtained from the arithmetic expression shown in
Also, with such a coil configuration, it is possible to boost n times the La: Lb inductance ratio without changing the inductance value, and to increase the induced electromotive force.
Furthermore, since the structure does not become complicated as in the case of an insulating transformer, the circuit can be manufactured at low cost.
上述のような電磁誘導加熱装置1によれば、定着ローラ40を目的の温度まで急速に加熱するので、Q=5〜7倍程度(1石駆動の場合)になる。
ここで、LC共振回路はf0近傍で駆動することによって高効率駆動する。
図4は、LC共振回路におけるインピーダンスとQの変化例を示す波形図である。
同図の(a)が加熱コイルのインピーダンスを、同図の(b)がQ(Quality factor)をそれぞれ示す。
LC共振回路で一旦LC定数を決めてしまうと、数1から共振周波数が決まり、駆動周波数が決まる。また、加熱(エネルギー)は電磁束で決まる。さらに、電磁束は金属で流れる電流で決まる。そして、電流はIGBTのVce0−pと金属抵抗値で決まる。
According to the electromagnetic induction heating device 1 as described above, since the fixing
Here, the LC resonance circuit is driven with high efficiency by driving in the vicinity of f 0 .
FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of changes in impedance and Q in the LC resonance circuit.
(A) of the figure shows the impedance of the heating coil, and (b) of the figure shows Q (Quality factor).
Once the LC constant is determined by the LC resonance circuit, the resonance frequency is determined from Equation 1, and the drive frequency is determined. Heating (energy) is determined by the electromagnetic flux. Furthermore, the electromagnetic flux is determined by the current flowing in the metal. The current is determined by the IGBT's Vce0-p and the metal resistance value.
ここで、加熱コイルの参考技術を説明する。
図5乃至図7は、この発明の参考技術の加熱コイルの構成を示す図である。
図5は、被加熱体としての定着ローラ40′を加熱する加熱コイル50、IGBT51,52、共振コンデンサ53等からなる回路構成を示し、図6は、被加熱体としての定着ローラ40′を加熱する加熱コイル60、IGBT61〜63、ダイオードD2〜D5、共振コンデンサ64等からなる回路構成を示し、図7は、被加熱体としての定着ローラ40′を加熱する加熱コイル70、IGBT71、共振コンデンサ72、ダイオードD6からなる回路構成を示している。
上述した各図中の各回路において、それぞれの加熱コイルのインダクタンスLを大きくし、またはキャパシタンスCを小さくすれば加熱コイルの金属円柱内に発生した磁界とその磁界を打ち消す方向に流れるうず電流とによってQの値を上げることができる。
Here, a reference technique of the heating coil will be described.
5 to 7 are diagrams showing the configuration of the heating coil according to the reference technique of the present invention.
FIG. 5 shows a circuit configuration comprising a
In each circuit in each of the above-described drawings, if the inductance L of each heating coil is increased or the capacitance C is decreased, the magnetic field generated in the metal cylinder of the heating coil and the eddy current flowing in the direction to cancel the magnetic field. The value of Q can be increased.
しかし、各加熱コイル中に流れる電流によって発生した磁界によって共振周波数f0も変化する。その際、IGBTの限界速度を越えるとスイッチング時の電力損失も大きくなる。
また、Qを高くするというのは、共振波形を鋭くするように制御することから考えれば大変困難なことである。また、周波数が少しでも動けば昇圧比が大きく変わることも考えられる。
さらに、加熱コイルのインダクタンスLの値を増加させるということはスペースの制限から限度がある。
ここで、Qを変えずに共振電圧Vce0−pを高くする方法として、共振電圧にDCバイアスを掛けて下駄を履かせて共振電圧をあげる方法、例えば、電気二重層コンデンサなどを利用したものがある。しかし、電磁誘導加熱装置に電力を供給する電源の他にもコンデンサへの充放電電源が必要になり、コストが上昇する。
However, the resonance frequency f 0 also changes due to the magnetic field generated by the current flowing in each heating coil. At this time, if the limit speed of the IGBT is exceeded, the power loss during switching also increases.
Also, increasing Q is very difficult in view of controlling the resonance waveform to be sharp. It is also conceivable that the step-up ratio changes greatly if the frequency moves even a little.
Furthermore, increasing the value of the inductance L of the heating coil is limited due to space limitations.
Here, as a method of increasing the resonance voltage V ce0-p without changing the Q, a method of increasing the resonance voltage by applying a DC bias to the resonance voltage and putting on clogs, for example, using an electric double layer capacitor or the like There is. However, in addition to the power source for supplying power to the electromagnetic induction heating device, a charge / discharge power source for the capacitor is required, which increases the cost.
図8は、複数のコイルを和動接続して構成した加熱コイルの一例を示す回路図であり、加熱用コイルLcと平滑用フィルタコイルLdとを和動接続してなる。
図9は、図8に示す加熱コイルを使って電磁誘導加熱するための回路図である。これは、図8に示した加熱コイルLcと平滑用フィルタコイルLdとを和動接続し、IGBT80を設けてなる回路構成である。
図10は、図8に示す加熱コイルを使って電磁誘導加熱するための回路の他の構成例を示す回路図である。これは、図9に示した回路構成に共振コンデンサ81を設けている。
FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of a heating coil configured by a plurality of coils in a Japanese-style connection. The heating coil Lc and a smoothing filter coil Ld are connected in a Japanese-style connection.
FIG. 9 is a circuit diagram for electromagnetic induction heating using the heating coil shown in FIG. This is a circuit configuration in which the heating coil Lc and the smoothing filter coil Ld shown in FIG.
FIG. 10 is a circuit diagram showing another configuration example of a circuit for electromagnetic induction heating using the heating coil shown in FIG. In this circuit, a
図9と図10にそれぞれ示す回路について、L0=Lc+Ld+2Mと、数3の各式において、Ldのインダクタンスを1とすると、Lcのインダクタンスは(1/n)2、この場合、結合係数Mは、数4より1/nであり、従ってLc+Ld+2M=L0をLdのインダクタンス1として表現すると、(1/n)2+12+2×1/n=(1+1/n)2となり、LcとLdの値は、Ld=L0×1/(1+1/n)2、Lc=L0×1/(1+1/n)2×(1/n)2で求められる。
このコイル構成を用いればインダクタンスLの値を変えることなくLc:Ldのインダクタンス比でn倍の昇圧をすることができる。
For the circuits shown in FIGS. 9 and 10, respectively, L0 = Lc + Ld + 2M, and in each equation of
If this coil configuration is used, the voltage can be boosted n times with the inductance ratio Lc: Ld without changing the value of the inductance L.
この発明による昇圧回路と電源装置と画像形成装置は、被加熱体を加熱する装置全般において適用することができる。 The booster circuit, the power supply device, and the image forming apparatus according to the present invention can be applied to all devices for heating a heated object.
1,1′:電磁誘導加熱装置 2:整流回路 3,3′:インバータ回路 4:商用電源 5:IGBT 6:IH制御部 7:ドライブ回路 11:読み取りユニット 12:画像形成部 13:ADF 14:原稿排紙トレイ 15〜18:給紙カセット 19:給紙部 20:排紙トレイ 21:原稿台 22:ピックアップローラ 23:原稿搬送ベルト 24:コンタクトガラス 25:読み取り装置 26:光源 27:光学系 28:光電変換素子 30:感光体 31:帯電装置 32:書き込みユニット 33:現像装置 34:転写装置 35:クリーニング装置 36:定着装置 37:排出ローラ対 40,40′:定着ローラ 41:加圧ローラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1 ': Electromagnetic induction heating device 2:
Claims (13)
前記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第1のコイルと、
該第1のコイルと和動接続された第2のコイルと、
前記スイッチに対して前記第1のコイル及び第2のコイルと並列に接続されたコンデンサとを備えたことを特徴とする昇圧回路。 A switch that generates a pseudo-high frequency AC voltage from the DC voltage;
A first coil that electromagnetically heats an object to be heated based on magnetic lines generated by a change in current caused by application of the AC voltage;
A second coil that is Japanese-electrically connected to the first coil;
A booster circuit comprising a capacitor connected in parallel to the first coil and the second coil with respect to the switch.
前記直流電圧源は、直流電圧を発生し、
前記昇圧回路は、前記直流電圧源で発生した直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、前記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第1のコイルと、該第1のコイルと和動接続された第2のコイルと、前記スイッチに対して前記第1のコイル及び第2のコイルと並列に接続されたコンデンサとを有することを特徴とする電源装置。 A DC voltage source and a booster circuit;
The DC voltage source generates a DC voltage;
The booster circuit electromagnetically heats a heated object based on a switch that generates a pseudo-high frequency AC voltage from a DC voltage generated by the DC voltage source and a magnetic field generated by a change in current caused by the application of the AC voltage. A first coil; a second coil that is connected in harmony with the first coil; and a capacitor connected in parallel with the first coil and the second coil with respect to the switch. A featured power supply.
前記整流回路は、交流電圧を整流して直流電圧を生成し、
前記昇圧回路は、前記整流回路で生成した直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、前記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第1のコイルと、該第1のコイルと和動接続された第2のコイルと、前記スイッチに対して前記第1のコイル及び第2のコイルと並列に接続されたコンデンサとを有することを特徴とする電源装置。 A rectifier circuit and a booster circuit;
The rectifier circuit rectifies an AC voltage to generate a DC voltage,
The booster circuit performs electromagnetic induction heating of the object to be heated based on a switch that generates a pseudo-high frequency AC voltage from the DC voltage generated by the rectifier circuit, and magnetic lines generated by a change in current caused by application of the AC voltage. And a capacitor connected in parallel with the first coil and the second coil with respect to the switch. Power supply.
前記電源装置の被加熱体は、記録媒体上のトナー像を該記録媒体に定着する定着ローラであることを特徴とする画像形成装置。 A power supply device according to claim 11 or 12,
The image forming apparatus according to claim 1, wherein the heated body of the power supply device is a fixing roller that fixes the toner image on the recording medium to the recording medium.
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